Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем (2005) (1186253), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Транзисторы перестают работать как транзисторы.Для аппаратной реализации НС необходим новый носитель информации. Таким новым носителем информации может быть свет,который позволит резко, на несколько порядков, повысить производительность вычислений.Единственной технологией аппаратной реализации НС, способной в будущем прийти на смену оптике и оптоэлектронике, является нанотехнология, способная обеспечить не только физически предельно возможную степень интеграции субмолекулярных квантовыхэлементов с физически предельно возможным быстродействием, нои столь необходимую для аппаратной реализации НС трехмернуюархитектуру.Длительное время считалось, что нейрокомпьютеры эффективны для решения так называемых неформализуемых и плохо формализуемых задач, связанных с необходимостью включения в алгоритм решения задачи процесса обучения на реальном экспериментальном материале.
В первую очередь к таким задачам относиласьзадача аппроксимации частного вида функций, принимающих дискретное множество значений, т. е. задача распознавания образов.В настоящее время к этому классу задач добавляется класс задач, иногда не требующий обучения на экспериментальном материале, но хорошо представимый в нейросетевом логическом базисе.К ним относятся задачи с ярко выраженным естественным параллелизмом обработки сигналов, обработка изображений и др. Подтверждением точки зрения, что в будущем нейрокомпьютеры будут более эффективными, чем прочие архитектуры, может, в частности,служить резкое расширение в последние годы класса общематематических задач, решаемых в нейросетевом логическом базисе.К ним, кроме перечисленных выше, можно отнести задачи решениялинейных и нелинейных алгебраических уравнений и неравенствбольшой размерности; систем нелинейных дифференциальныхуравнений; уравнений в частных производных; задач оптимизации идругих задач.288Глава 3.
Вычислительные системыПроцессоры с многозначной (нечеткой) логикойИдея построения процессоров с нечеткой логикой (fuzzy logic)основывается на нечеткой математике Основанные на этой теорииразличные компьютерные системы, в свою очередь, существеннорасширяют область применения нечеткой логикиПодходы нечеткой математики дают возможность оперироватьвходными данными, непрерывно меняющимися во времени, и значениями, которые невозможно задать однозначно, такими, например, как результаты статистических опросов В отличие от традиционной формальной логики, известной со времен Аристотеля и оперирующей точными и четкими понятиями типа «истина» и «ложь»,«да» и «нет», «О» и «1», нечеткая логика имеет дело со значениями,лежащими в некотором (непрерывном или дискретном) диапазоне(рис.
3.30).ОхОхОхРис. 3.30. Различные типы функций принадлежностиФункция принадлежности элементов к заданному множествутакже представляет собой не жесткий порог «принадлежит — непринадлежит», а линию, проходящую все значения от нуля до единицы. Теория нечеткой логики позволяет выполнять над такими величинами все логические операции — объединение, пересечение,отрицание и др. (рис 3.31).Задачи с помощью нечеткой логики решаются по следующемупринципу (рис. 3.32):1) численные данные (показания измерительных приборов, результаты анкетирования) фаззируются (переводятся в нечеткийформат);2) обрабатываются по определенным правилам;3) дефаззируются и в виде привычной информации подаются навыходВ 1986 г.
в AT&T Bell Labs создавались процессоры с «прошитой» нечеткой логикой обработки информации. В начале 90-х компания Adaptive Logic из США выпустила кристалл, сделанный поаналого-цифровой технологии. Он позволит сократить сроки конструирования многих встроенных систем управления реального вре-2893.4. Перспективные типы процессоров ЭВМБ с A Vx е XAr^B Vx &XРис. 3.31. Операции включения (а), объединения (б), пересечения (б)и дополнения (г) НМВходОВвод из периферийных устройствНечеткая память*1-\JI JV'мнв^1^2S2ЛгIЛ'А'\}ч/. "Vг •< \/ *МНВЧУ•••• \ V77 ^мнвОперация МАХЧеткиеДефаззификаторзначенияНечеткийвыводРис. 3.32. Архитектура нечеткого компьютераМНВ — механизм нечеткого выводаЮ «Архитектура ЭВМвг290Глава 3. Вычислительные системымени, заменив собой традиционные схемы нечетких микроконтроллеров.
Аппаратный процессор нечеткой логики второго поколенияпринимает аналоговые сигналы, переводит их в нечеткий формат,затем, применяя соответствующие правила, преобразует результатыв формат обычной логики и далее — в аналоговый сигнал. Все этоосуществляется без внешних запоминающих устройств, преобразователей и какого бы ни было программного обеспечения нечеткойлогики.В Европе и США ведутся интенсивные работы по интеграции/«z^y-команд в ассемблеры промышленных контроллеров встроенных устройств (чипы Motorola 68HC11. 12.21). Такие аппаратныесредства позволяют в несколько раз увеличить скорость выполненияприложений и компактность кода по сравнению с реализацией наобычном ядре. Кроме того, разрабатываются различные варианты/иг^у-сопроцессоров, которые контактируют с центральным процессором через общую шину данных, концентрируют свои усилия наразмывании/уплотнении информации и оптимизации использования правил (продукты Siemens Nixdorf).Нечеткая логика не решит всех тех задач, которые не решаютсяна основе логики двоичной, но во многих случаях она удобнее, производительнее и дешевле.
Разработанные на ее основе специализированные аппаратные решения (fuzzy-вычислители) позволят получить реальные преимущества в быстродействии. Если каскадировать/wz^y-вычислители, получается один из вариантов нейропроцессораили нейронной сети. Во многих случаях эти понятия объединяют,называя общим термином «neuro-fuzzy logic».3.5. Системы памятиПовышение производительности вычислительных систем непосредственно связано с увеличением быстродействия и емкости памяти.
Емкость памяти наиболее крупных вычислительных системвозросла от 1000 байт до десятков терабайт, а время цикла уменьшилось с 20 мкс до 10 не. Однако даже с учетом прогресса в технологии быстродействующие запоминающие устройства остаются более дорогими, чем медленные. Следовательно, с целью уменьшениястоимости ВС при той же производительности эффективнее иметьиерархию памяти с небольшим по емкости запоминающим устройством, расположенным рядом с процессором и имеющим минимальное время доступа. Такая иерархия позволяет согласовать характеристики памяти и центрального процессора.3.5.
Системы памяти291С ростом сложности, а также размерности технических и научных задач возрастает требование к объему памяти. Рост объема памяти, в свою очередь, приводит к большим физическим размерамустройства, увеличению длины проводников и задержки распространения сигналов, т. е. уменьшается время доступа к такой памяти.
Хотя быстродействие и емкость отдельных устройств памятивозросли, этого было недостаточно для того, чтобы они соответствовали характеристикам процессора. Конечно, можно реализоватьпамять больших объемов, которая несколько быстрее имеющейсяна данный момент с помощью совершеннейших технологий, однакостоимость такой памяти по отношению к производительности будеточень велика и ее использование — экономически невыгодно.Иерархическая организация памятиРассмотренная ранее двухуровневая система памяти (регистрыпроцессора и собственно оперативная память — ОЗУ) была характерна только на начальных этапах развития ЭВМ.
В настоящеевремя используется многоуровневая иерархическая модель памяти(рис. 3.33).Компромиссом между производительностью и объемами памятиявляется решение использовать иерархию запоминающих устройств,т. е. применять так называемую иерархическую модель памяти.Иерархическая память — это система памяти, состоящая какминимум из двух запоминающих устройств, отличающихся быстродействием и емкостью. Обычно первое устройство памяти, расположенное в непосредственной близости от процессора, имеет малоеРегистрыКэш-памятьБлочная пересылкаОсновная памятьБлочная пересылкаВторичная/внешняя(массовая) памятьБлочная пересылкаАрхивная памятьРис. 3.33. Иерархическая модель памяти292Глава 3. Вычислительные системывремя доступа и более высокую стоимость на бит. В связи с этимемкость более быстродействующей памяти в иерархии делается небольшой для того, чтобы оптимизировать стоимость всей системы.Технология памяти второго уровня иерархии выбирается исходя изнизкой стоимости на один бит; такая память имеет большие значения времени цикла и времени доступа.Иерархическая память управляется пользовательскими программами, аппаратным путем или системным программным обеспечением так, чтобы система памяти по времени доступа приближалась кбыстродействующей памяти, а по стоимости — к медленной.
Примером иерархии, управляемой системным программным обеспечением, является организация виртуальной памяти со страничной организацией, применяемая всеми современными ОС; недостаток емкостиоперативной памяти возмещается внешней дисковой памятью.Применение иерархических систем памяти оправдывает себявследствие двух важных факторов — принципа локальности обращений и низкого (экономически выгодного) соотношения стоимость/производительность. Принцип локальности обращений состоит в том, что большинство программ обычно не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а в каждыймомент времени оказывают предпочтение некоторой части своегоадресного пространства.Иерархия памяти существует главным образом для того, чтобыповысить экономическую эффективность системы путем оптимального сочетания временных и стоимостных характеристик различныхзапоминающих устройств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
